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1、精选优质文档-倾情为你奉上本科毕业设计(论文)成都地铁红花堰站火车北站区间隧道 设计与施工(左线)院 系 土 木 工 程 系 专 业 防灾、减灾与防护工程 年 级 2005级 姓 名 杨 朋 题 目 成都地铁红花堰站火车北站区间隧道设计与施工(左线) 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 毕业设计(论文)任务书班 级 2005级防护2班 学生姓名 杨朋 学 号 发题日期:2009年 3月 2日 完成日期: 6 月 19 日题 目 成都地铁红花堰站火车北站区间隧道设计与施工(左线) 1、本论文的目的、意义 (1)对大
2、学四年所学的知识进行一次较为系统的巩固,查漏补缺,加深对专业知识的理解,为毕业后走上工作岗位奠定坚实基础。 (2)锻炼收集有用的资料,将其运用到实际问题中的能力。培养创新意识,利用已知的地形、地质条件,运用所学知识按规定设计。 (3)训练和提高设计能力、理论计算能力、外文阅读和翻译能力、使用计算机的能力。 2、学生应完成的任务 (1)摘要:(中、英文); (2)工程概况(所处地理环境、地质、水文情况); (3)线路平、纵断面设计;(线路平、纵断面图); (4)区级隧道各级围岩结构形式的选定和尺寸拟定;(各级围岩的支护结构设计图); (5)围岩支护结构的计算及配筋;(支护结构变形图、内力图及配筋
3、图); (6)区间隧道施工方法及施工组织;(施工进度计划图、施工工序图); (7)不少于10000字符的外文翻译。 3、论文各部分内容及时间分配:(共 18 周)第一部分 布置设计任务,熟悉设计资料及要求 (2周)第二部分 区间隧道平、纵断面设计 (2周)第三部分 围岩支护结构设计、计算 (4周)第四部分 支护结构配筋 (3周)第五部分 施工方案比选及施工方法的拟定 (2周)第六部分 外文翻译、绘图及文整工作,机动(实习) (4周)评阅及答辩 (1周)备 注 参考资料: (1)王珊.地铁工程设计与施工新技术实用全书.银声音像出版社 (2)杨其新、王明年.地下工程施工组织与管理.西南交通大学出版
4、社,2005.10 (3)张庆贺、朱合华、庄荣.地铁与轻轨.第二版.人民交通出版社,2006.8 (4)钟新樵、赵菊梅.地下工程概论.西南交通大学峨眉校区 (5)贺少辉.地下铁道.清华大学出版社 (6)地下铁道设计规范 (GB50157-92).中国计划出版社,1993 (7)刘钊、佘才高、周振强.地铁工程设计与施工.人民交通出版社,2004 (8)李权.ANSYS在土木工程中的应用.北京:人民邮电出版社,2005 (9)李围.隧道及地下工程ANSYS实例分析.北京:中国水利水电出版社,2007 指导教师: 年 月 日审 批 人: 年 月 日摘 要成都地铁1号线一期工程红花堰站火车北站区间隧道
5、,全长1298.557m,沿线地面建筑物密集,工程地质条件较差,研究适应于该区段的开挖方法、结构计算模型和支护参数成为指导工程开挖的重要部分。本设计结合工程地质条件,依据地铁设计规范 (GB 50157-2003),对红花堰站火车北站区间隧道,进行隧道净空设计、平纵断面设计、衬砌结构设计计算和区间隧道附属设施设计,指导设计施工。通过对地铁常用施工方法明挖法、矿山法和盾构法的比选,最终选用盾构法进行该区间隧道的施工。衬砌内径在5200mm的基础上,考虑施工误差、测量误差和不均匀沉降等因素,最终采用5400mm的内径;衬砌厚度为300mm,考虑同步注浆要求,盾构机外径采用6280mm。建立适用于成
6、都地铁1号线地质情况的有限元模型,运用ANSYS软件对衬砌进行结构计算。通过分析计算,混凝土等级采用C50,最终变形为1.05mm,截面强度验算等均获得通过。ANSYS计算获得的内力图,用来指导装配式衬砌的配筋。验算结构的最大裂缝宽度为0.06mm,满足地铁要求。研究结果为类似工程施工方法的选择、有限元模型的建立、衬砌设计提供参考。并指导施工组织的设计,提高工程施工的安全性、高效性,降低工程造价。关键词 地铁区间;盾构法;浅埋暗挖;有限元分析 AbstractThe subway between Honghuayan Station and North Station, which belon
7、gs to Chengdu Metro Line 1 red one Projects, is of 1298.557 meters full-length. Along the dense ground-level structures, engineering geological conditions are relatively poor, research adapted to the methods section of the excavation, structure calculation model and support parameters to guide the p
8、roject to become an important part of the excavation. According to the engineering geological conditions and Code for Design of Metro (GB 50157-2003), the design includes the following contents: design of tunnel clearance, flat and vertical section design, structure calculation and lining tunnel Des
9、ign of ancillary facilities. All of those should guide the design and construction.Subway construction method usually involves Cut and Cover Law, Mining Law and Shield Driving Method. The design ultimately selected the Shield Law. Based on 5200 millimeter, considering the construction of error consi
10、dered and factors such as uneven settlement, the diameter lining ultimately choose 5400 millimeter. The lining thickness is of 300 millimeters. Considering the simultaneous grouting requirements, the diameter of shield machine is 6280 millimeters. The design establishes finite model, which is applic
11、able to the geological condition of Chengdu Metro Line 1. Also it uses ANSYS software to calculate the structural lining. When use concrete of grade C50, the final deformation is 1.05mm. The strength of all cross-sections get across. Internal force data of ANSYS is used to guide the assembly of rein
12、forced concrete lining. The maximum crack width is 0.06mm, and it meets the requirements of subway.The result provides reference for the choice of construction methods, finite element model and the design lining. It can guide the design of Construction Organization, improve construction safety, effi
13、ciency, and reduce project cost.Keywords Subway;Shield Law;Shallow Subsurface;Finite Element Analysis目 录专心-专注-专业绪论随着工业生产的发展和人口的高度集中,大城市或都市区域的交通运输量逐年加速增长,城市交通给社会造成了严重的问题:交通拥挤、事故增多、污染严重。因此许多大城市都开始限制汽车使用,大力发展公众交通设施,特别是加速发展地铁和轻轨交通系统。地下铁道已经成为解决大城市交通拥挤、车辆堵塞等问题并且能大量快速运送乘客的一种城市交通设施。它可以使很大一部分地面客流转入地下,可以高速行车,
14、且可缩短车次间隔时间,节省了乘车时间,便利了乘客的活动。在战时,还可以起到人防的功能。自 1969 年 10 月 1 日中国有史以来第一条地铁在北京建成通车以来,北京、天津、香港、上海、广州、深圳等许多城市已相继建成地铁,极大的缓解了城市交通拥挤状况,节省了地面空间。目前,我国100万人口以上的城市多达49座,其中已有重庆、成都、哈尔滨、武汉、沈阳、西安、杭州和宁波等20多个城市正在修建或计划兴建地铁以及快速轻轨交通,规划的城市轨道交通总里程达到5000km。因此,在我国城市发展地铁及轻轨等城市轨道交通运输系统的前景是非常广阔的。到2015年中国城市轨道交通投入运营里程可达到1700km。在修
15、建城市地铁中,常用的施工方法有明挖法、暗挖法,其中暗挖法又包括盾构法和钻爆法,钻爆法又称为新奥法。盾构法(Shield Driving Method)或掩护筒法是在地表以下的土层或松软岩层中暗挖隧道的一种施工方法。自1818年法国工程师Brunel发明盾构法以来,经过100多年的应用与发展,从气压盾构到泥水加压盾构以及更新颖的土压平衡盾构,已经使盾构法能适用于任何水文地质条件下的施工,无论是松软、坚硬还是有地下水、无地下水的暗挖隧道工程都可以用盾构法施工。第一章 概述1.1 工程概况成都地铁1号线一期工程位于川西平原岷江水系、级阶地上,为侵蚀堆积地貌。区内地形平坦,北高南低。本盾构区间经过地区
16、主要穿越的地貌单元为川西平原岷江水系级阶地(区)。此阶地分布于火车北站信息工程学院大门。地形平坦,地面高程497.7m506m。1.1.1 岩土分层及其特征1.1.1.1 岩土层特征1第四系全新统人工填筑土(Q4ml):以杂填土为主,褐黄、灰黑等杂色,松散稍密,潮湿。由碎石、砂土、砖瓦碎块等建筑垃圾组成,其间充填粘土。段内分布于地表,层厚一般0.66.9m。该层土人为随意性较大,均一性差,多为欠压密土,结构疏松,具强度较低、压缩性高、荷重易变形等特点。2第四系全新统冲积层(Q4al)粘土(Q4al):黄色、灰黄色、灰褐色。含铁锰质结核及少量钙质结核。可塑硬塑。段内大部分地段均有分布,顶板埋深多
17、为0.82.6m,厚0.88.6m。天然含水量W=2230.4%,平均值26%,天然孔隙比e=0.640.85,平均值0.75,液性指数IL=0.080.4,平均值0.31,天然快剪粘聚力C=36.983.3KPa,标准值45.96KPa,内摩擦角=10.618.0,标准值12.2,压缩系数a0.10.2=0.140.37MPa-1,标准值0.284MPa-1,压缩模量ES=4.6511.77MPa,标准值6.269MPa。本层粘土具弱膨胀性,其自由膨胀率(FS)=4043%,属弱膨胀土。粉质粘土(Q4al):灰黄色,可塑硬塑,含铁、锰质及钙质结核,呈透镜体状分布于卵石土(层)上部,顶板埋深1
18、.22.6m,层厚0.86.8m。根据室内试验,天然含水量W=29.2%,天然孔隙比e=0.688,液性指数IL=0.40,天然快剪粘聚力C=28.4KPa,内摩擦角=10.0,压缩系数a0.10.2=0.27MPa-1,压缩模量ES=6.19MPa。细砂、粉砂(Q4al):黄色,饱和,中密,呈透镜体状分布于中砂()或卵石土 (层)之上,顶板埋深为1.87.0m,厚05.1m。卵石土(Q4al):黄灰色、黄褐色,以稍密中密为主,部分密实,潮湿饱和。卵石成分主要以中等风化的岩浆岩、变质岩类岩石组成。以亚圆形为主,少量圆形,分选性差,卵石含量6070%,粒径以3070mm为主,本次钻孔中揭示最大粒
19、径约170mm,根据探坑和基坑揭示最大粒径达530550mm,充填物为细砂及圆砾。本层顶板埋深2.07.2m,层厚4.711.3m。3第四系上更新统冰水沉积、冲积层(Q3fgl+al)粉细砂(Q3fgl+al):黄褐色,灰绿色,饱和,中密,含少量粘粒,微具弱胶结,胶结差。呈透镜体状分布于卵石土(层)中上部获其层内,顶板埋深4.312.90m,层厚0.302.40m。本次勘察标贯试验1次,锤击数N=7,根据建筑抗震设计规范(GB50011-2001),为轻微液化砂土。卵石土(Q3fgl+al):褐黄、灰黄色、浅灰色、黄绿色等,以中密密实为主,饱和。卵石成分主要为灰岩、砂岩、石英岩等。以亚圆形为主
20、,少量圆形,分选性差,卵石含量约67%,粒径以20100mm为主,钻探揭示最大粒径180mm,根据探井和基坑揭示最大粒径达530550mm,圆砾含量约9.8,卵、砾石以中等风化为主。充填物以中细砂为主,夹少量粘性土,局部具弱泥质胶结。顶板埋深3.513.9m,厚1.211.4m。4第四系中更新统冰水沉积、冲积层(Q2fgl+al)中砂(Q2fgl+al):青灰色,中密,饱和。呈透镜体状分布。本次勘察在MZ2-LT-001、MZ2-LT-002孔揭露,顶板埋深20.0027.40m,厚01.90m。圆砾土(Q2fgl+al):黄绿色,密实,饱和。卵石含量约2030%,圆砾含量3040%,粒径以5
21、60mm为主,充填物为细砂及微量粉质粘土。顶板埋深10.80m,厚02.0m。卵石土(Q2fgl+al):灰色、深灰色、蓝灰色、灰绿色、黄绿色,以密实为主,部分中密,饱和。卵、砾石成分以灰岩、砂岩、石英岩等为主。呈园形亚园形,分选性差。卵石含量约68%,粒径以30100mm为主,本次钻探揭示最大粒径180mm,根据探井和基坑揭示最大粒径达530550mm,圆砾含量约10,个别钻孔见漂石,漂石最大粒径270mm。卵、砾石以中等风化为主。充填物主要为中细砂、及少量粘性土,局部具弱泥质胶结和微钙质胶结。本层顶板埋深8.222.0m,厚1.214.1m。5白垩系上统灌口组(K2g)全风化泥岩(K2g)
22、:紫红色,岩芯呈土柱状,部分呈碎块状,主要由粘土矿物组成,岩质软。本层分布不均匀,部分段缺失该层。层位顶板埋深17.529.5m,厚09.4m。强风化泥岩(K2g):紫红色,岩质较软,岩芯多呈碎块状,少量短柱状,部分呈土状,岩芯碎块手可折断。本层分布不均,部分钻孔缺失。层位顶板埋深18.236.0m,厚05.4m。中等风化泥岩(K2g):紫红色,中厚层状,泥质胶结。锤击声较脆。易风化。岩芯多呈柱状,少量呈碎块。岩质较硬。本层顶板埋深19.030.4m,此次勘探均未揭穿。本次取样试验,其天然单轴极限抗压强度为0.1712.23MPa,标准值为2.83MPa;天然饱和单轴极限抗压强度为0.047.
23、37MPa,标准值为0.3MPa。各岩层的力学参数见附表(2-1)。1.1.1.2不良地质与特殊岩土1)液化砂土成都地铁1号线一期工程覆盖层除表层的人工填土和粘性土外,其下均为不同时期沉积的卵石土夹透镜体砂层。根据建筑抗震设计规范(GB500112001)第4.3.3条和铁路工程抗震设计规范(GBJ11187)第2.2.2条规定,对于上更新统(Q3)和中更新统(Q2)的砂层及粉土层不考虑液化的影响。2)软土全段软土多为淤泥质土或淤泥质砂,主要分布于车辆段范围,其余地段零星分布,多以薄层状或透镜状分布于场地上部。静探及室内试验表明,软土天然含水量=23.432.6%;天然孔隙比=0.6420.9
24、08;塑性指数IP= 12.818.0;液限WL=29.634.5%;液性指数IL=0.50.91;压缩系数a0.10.2=0.180.37 MPa-1;压缩模量5.110.0MPa。基本承载力为52.690.7KPa。具有孔隙比大,含水量高,高压缩性,力学性质差的特性。沿线地下车站、区间范围,软土仅表层有零星分布,其埋深浅、分布范围小,对地下隧道基本无影响,对明挖施工的地下车站基坑的稳定性有一定影响。3)膨胀土本段沿线覆盖层上部发育厚2.58.6m的粘性土,顶板埋深一般0.82.0m,自由膨胀率Fs= 4043%,具有弱膨胀性。由于膨胀土埋深较浅,对车辆段地面建筑的基础稳定性和地下车站明挖施
25、工的基坑支护有一定影响,对地下区间隧道基本无影响。4)膨胀岩下伏基岩为红层泥岩,根据室内试验,部分自由膨胀率(FS)=3168%,属弱膨胀岩,局部自由膨胀率(FS)达77%,属中等膨胀岩。由于该地层位于隧底以下,对地下隧道基本无影响。5)有害气体本盾构区间通过地区污水管密布,填土中夹杂垃圾,部分地段地表垃圾堆积成“丘”,污水聚集,溢漏和产生的污水渗入地下,易形成有害气体,危及隧道施工。成都市政的污水井、阀门井、供水井施工中,已多次由于类似原因而出现伤亡事故,因此在施工过程中应加强对有害气体的监测及防护措施。1.1.2 地质构造及地震烈度1)区域地质构造特征成都平原在构造位置上处于我国新华夏系第
26、三沉降带之川西褶带的西南缘,界于龙门山隆褶带山前江油灌县区域性断裂和龙泉山褶皱带之间,为一断陷盆地。该断陷盆地内,西部的大邑彭县什邡和东部的蒲江新津成都广汉两条隐伏断裂将断陷盆地分为西部边缘构造带、中央凹陷和东部边缘构造带三部分,成都地铁一期工程线路位于东部边缘构造带。龙门山隆褶带,经青川、都江堰至二郎山,长500余公里,宽2540公里。这是一个经历了多次强烈变动的、规模巨大的结构异常复杂的东北向构造带。龙泉山褶皱带,展布于中江、龙泉驿、仁寿一带,长200公里,宽15公里左右,为龙泉山背斜及一系列压扭性逆(掩)断层组成,呈NE走向,现今时期断裂活动标志少。大邑彭县什邡断裂带,为平原区内较大的区
27、域性隐伏断裂,沿隐伏断裂弱震活动频繁,偶有强震发生,成都市区正好处在这两条断裂的羽接部位,羽接部位应力集中值为中等。磨盘山断裂位于成都市区以北,自新都经磨盘山进入市区一环路北三段附近。从区域构造背景和地震活动性分析,磨盘山断裂通过地区,属不稳定的微活动区,沿此断裂的新都曾于1971年发生过Ms=3.4级地震,成都于1943年6月发生过Ms=5级地震,但震中未在市区,市区烈度只有5度。从总体来看,成都市区距龙泉山褶皱带20公里,距龙门山隆褶带50公里,区内断裂构造和地震活动较微弱,历史上从未发生过强烈地震,从地壳的稳定性来看应属于稳定区。2)新构造运动成都平原在构造体系上处于川西褶带的一隅。该体
28、系于印支运动早期已具雏形,印支运动晚期已基本定型,进入喜山运动早期成为沉降中心,随着构造活动,周边参差错落抬升,中心相对沉降,中心接受了厚大的第四系松散堆积,四周成山,形成了错落有致的盆地地貌景观。3)地震场地与参数(1)地震动参数根据中国地震动参数区划图(GB 18306-2001),成都市地震动峰值加速度为0.10g,地震动反应谱特征周期为0.40s。根据中国地震动参数区划图(GB 18306-2001),成都市地震基本烈度为度。(2)建筑场地类别划分对于本段盾构区间,根据铁路工程抗震设计规范(GBJ11187)第2.2节划分规定,本段土层的等效剪切波速vsm值在140m/s500m/s范
29、围内,场地类型为类场地。1.2 地质水文资料1.2.1 地下水的分布特征及渗透性按地下水赋存条件,地下水分为两种类型:第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。其中,第四系孔隙水,主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中,土体透水性强、渗透系数大,地下水水量丰富,是段内地下水的主要存在形式。1.2.1.1 第四系孔隙水第四系孔隙水基本都赋存在全新统(Q4)、上更新统(Q3)和中更新统(Q2)的砂、卵石土中,三层砂卵石层含水极其丰富,形成一个整体含水层,含水层总厚度约13.525.8m,为孔隙潜水,局部由于地形和上覆粘性土层控制,形成承压水。根据降水井抽水试验及天府广场综合改造工程水文试验资料可知,卵石土综合含
30、水层渗透系数K为12.5327.4 m/d,平均值为16.32 m/d,为强透水层。地下车站主体结构和地下区间隧道基本位于该层砂、卵石土中,受地下水影响较大。上部的粘性土层为不透水层或微透水层,地下水含量甚微,对工程影响较小。1.2.1.2 基岩裂隙水区内基岩为白垩系灌口组紫红色砂泥岩,地下水赋存于基岩风化裂隙中,含水少。根据资料,渗透系数K为0.0272.01m/d,平均为0.44m/d。属弱中等透水层。1.2.2 地下水的动态特征区内地下水具有埋藏浅,季节性变化明显,水位西北高东南低,沿河一带高,河间阶地中部低的特点。根据区域水文地质资料,成都地区丰水期一般出现在7、8、9月份,枯水期12
31、、1、2月份,以8月份地下水位埋深最浅,其余月份为平水期。在天然状态下,区内枯水期地下水位埋深 35m;洪水期地下水埋深24m。根据区内地下水位动态长期观测资料,在天然状态下,水位年变化幅度一般在13m之间(13m占观测点总数的65%,小于1m的占10%,大于3m的占25%),变幅正常。根据勘察期间资料,测得地下水位埋深3.98.9m,初见水位标高496.7502.4m,稳定水位标高496.3502.5m。根据调查分析,由于成都市大规模的工程建设,很多建筑基坑在进行施工降水,使地下水位急剧下降,地下水的状态也变得紊乱。1.2.3 地表水、地下水水质据初勘报告,本盾构区间水质类型以HCO3-Ca
32、2+、 HCO3-Ca2+.Mg2+型为主,经判定对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性,但对钢结构有弱腐蚀性。此外,灌口组夹石膏、钙芒硝,岩石可能有SO42-腐蚀性,施工中应加强取水样化验,核查地下水对砼、钢筋、钢结构的腐蚀性。1.2.4 地下水水力学特征(透水性、水压力)区间隧道主要在含水量丰富、补给充足的强透水性的砂卵石土中通过,其埋深基本位于地下水位以下,地下水水压力对隧道施工及衬砌结构有较大影响。考虑到地下水水位、含水层性质、地下水的连通性,水压力按H计算。1.3 设计依据1)成都地铁1号线一期工程土建工程DG标段(盾构区间)初步设计招标文件招标文件编号1DTZB007-2005
33、-06;2)“成都地铁1号线一期工程线路图平、纵断面”;3)“成都地铁1号线一期工程可行性研究报告及评审意见”;4)“成都地铁1号线一期工程有关城市地下管线、地形图电子文件”;5)“成都地铁1号线一期工程沿线有关建(构)筑物基础资料及规划资料部分纸质文件、部分电子文件”;6)成都地铁1号线一期工程1标段初勘阶段 岩土工程勘察报告(铁道第二勘察设计院 2005年10月);7)成都地铁有限公司“成地铁函2005100号关于成都地铁一期工程盾构筹划方案意见的函”;8)成都地铁1号线一期工程技术要求(试行稿)、文件组成与内容(试行稿)等技术性文件;9)国家、四川省及成都市现行有关规范、规程。1.4设计
34、原则1)结构设计应满足施工、运营、城市规划、人防(按六级人防的抗力等级设计)、防水、防火、防迷流的要求,结构按设计使用年限100年的要求进行耐久性设计。2)根据区间隧道的工程地质和水文地质条件及城市总体规划要求,结合周围地面既有建筑物、环境条件、管线及道路交通状况,通过对技术、经济、使用功能等方面的综合比较,合理选择施工方法和结构型式。3)结构的净空尺寸设计应满足建筑限界、使用功能及施工工艺的要求,即在建筑限界的基础上再考虑适当的富裕量,以满足施工误差、测量误差、不均匀沉降、结构变形的需要。4)结构计算模式的确定,应符合结构的实际工作条件,并反映结构与周围地层的相互作用。5)结构设计应符合强度
35、、刚度、稳定性、抗浮和裂缝开展宽度验算的要求,并满足施工工艺的要求。对于钢筋混凝土结构应就其施工和正常使用阶段进行结构强度计算,必要时也应进行刚度和稳定性计算。钢筋混凝土结构应进行裂缝宽度验算,其最大裂缝允许值:明(盖)挖法施工的结构为0.20.3mm,盾构法施工的隧道为0.20mm。对处于侵蚀环境的不利条件下的结构,其最大计算裂缝宽度允许值应根据具体情况从严控制。6)隧道衬砌结构一般进行横断面方向的受力计算,遇到下列情况时,则应对其纵向强度和变形进行分析。 覆土荷载沿隧道纵向有较大变化时; 隧道直接承受地面建筑物等较大局部荷载时; 基底地层或基础有显著差异时。7)区间隧道在结构、地基、基础或荷载发生显著变化的部位,或因抗震要求必须设置变形缝时,应采取可靠的工程技术措施,确保变形缝两侧的结构不产生影响正常行车的差异沉降和轨道的曲率变化。8)所选择的盾构机,必须对成都特殊的砂卵石层、漂石地层有较好的适应性,并同时依据盾构推进速度、周围环境状况、工期、造价等各方面进行技术经济比较后确定。9)结构按7度地震进行抗震验算,并在结构设计时采取相应的构造处理措施,以提高结构的整体抗震能力。10)隧道施工引起的地面沉降和隆起均应严格控制在环境
限制150内